32中国工程科技论坛:内燃机节能减排技术发展战略 高内燃机热效率要求综合多种方法,如提高热功转换效率、减少对冷却液和环境 的散热余热能集中在排气中并得到利用以及提高余热能利用效率等措施。论坛 专家也提出,内燃机要实现更高的热效率,要从以下几个方面技术取得进展:先进 材料和润滑技术(高热负荷和可靠性)、先进低温燃烧技术、附件电气化及智能控 制、发动机结构系统变革(如可变冲程)、高效涡轮技术、余热能利用技术等。另一 方面,内燃机产品成本与经济上的可行性也是制约热效率的一个重要因素。 为了实现更高的热效率,近年来,国内外研究人员从实验和模型上均进行了 探索性研究。美国 Stanford大学设计了一款压缩比高达100的装置,按照奥托循 环计算得到的理论指示热效率极限是70%,但实测的极限只达到57%8。最近 通过提高气体的比热容比来提高内燃机热效率被美国 Lawrence livermore国家 实验室、加州大学伯克利分校、丰田汽车公司等机构广泛研究,而该思路在 1978年 Laumann和 Reynolds申请的美国专利中被提出。其燃烧过程是燃用 氢气-氧气-氩气混合气,其中氢气与氧气燃烧只生成水,实现了有害物零排 放;而用氩气替代空气中的氮气可以提高气体的比热容比。空气的比热容比理 论值为1.4,而氩气的比热容比可以达到1.67。并且通过对废气冷凝水排出,其 中的氩气再循环使用,构成一个封闭的氩气循环。从式(1)中可以看出,指示热 效率η;与发动机压缩比R和比热容比γ相关,提高比热容比γ可以在等压缩 比条件下提高发动机热效率,从而在低燃烧压力条件下获得更高的热效率。 图3是目前发动机与氢气-氧气-氩气发动机理论指示热效率的对比。图 中表明,该发动机在低压缩比条件下即可以获得比传统内燃机更高的热效率,降 低目前提高内燃机热效率导致的机械负荷增大的问题。 氢气-氧气-氩 发动机 园 y=1 评0.6 柴油机 汽油机 y=13 图3氢气-氧气-氩气发动机与传统内燃机理想热效率对比1
高内燃机热效率要求综合多种方法，如提高热功转换效率、减少对冷却液和环境 的散热、余热能集中在排气中并得到利用以及提高余热能利用效率等措施。论坛 专家也提出，内燃机要实现更高的热效率，要从以下几个方面技术取得进展：先进 材料和润滑技术（高热负荷和可靠性）、先进低温燃烧技术、附件电气化及智能控 制、发动机结构系统变革（如可变冲程）、高效涡轮技术、余热能利用技术等。另一 方面，内燃机产品成本与经济上的可行性也是制约热效率的一个重要因素［７］ 。 为了实现更高的热效率，近年来，国内外研究人员从实验和模型上均进行了 探索性研究。美国 Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学设计了一款压缩比高达 １００的装置，按照奥托循 环计算得到的理论指示热效率极限是 ７０％，但实测的极限只达到 ５７％［８］ 。最近 通过提高气体的比热容比来提高内燃机热效率被美国 ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ国家 实验室、加州大学伯克利分校、丰田汽车公司等机构广泛研究［９，１０］ ，而该思路在 １９７８年 Ｌａｕｍａｎｎ和 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ申请的美国专利中被提出［１１］ 。其燃烧过程是燃用 氢气 －氧气 －氩气混合气，其中氢气与氧气燃烧只生成水，实现了有害物零排 放；而用氩气替代空气中的氮气可以提高气体的比热容比。空气的比热容比理 论值为 １４，而氩气的比热容比可以达到 １６７。并且通过对废气冷凝水排出，其 中的氩气再循环使用，构成一个封闭的氩气循环。从式（１）中可以看出，指示热 效率 ηｉ与发动机压缩比 Ｒｃ和比热容比 γ相关，提高比热容比 γ可以在等压缩 比条件下提高发动机热效率，从而在低燃烧压力条件下获得更高的热效率。 ηｉ ＝１－ １ Ｒγ－１ ｃ （１） 图 ３是目前发动机与氢气 －氧气 －氩气发动机理论指示热效率的对比。图 中表明，该发动机在低压缩比条件下即可以获得比传统内燃机更高的热效率，降 低目前提高内燃机热效率导致的机械负荷增大的问题。 图 ３ 氢气 －氧气 －氩气发动机与传统内燃机理想热效率对比［１２］ ３２ 中国工程科技论坛：内燃机节能减排技术发展战略
内燃机热效率潜力及提高途径探索3 围绕内燃机极限热效率,本小组也从理论上进行了研讨,结合模拟计算结果 得到了如下的初步结论:①减少内燃机传热损失之后,节约的热量只有很小部 分转化为有用功,其比例小于废气带走热量的比例,即试图通过减少传热损失只 有少部分会转化为有用功,但可以提高排气温度,使余热集中在废气中,如图4 所示;②在绝热条件下,提高压缩比可以提高发动机指示热效率到62%;但是若 存在传热损失,随着压缩比升高,传热损失增大,高压缩比下的热效率反而下降, 因此若有传热损失(实际上必定存在传热损失),就存在一个最佳的压缩比,使 热效率达到最高;尽管传热对于内燃机热力循环不是必需的,但是由于热负荷的 限制传热不可避免,因此传热损失决定最佳压缩比的大小;相应的,可变压缩比 可以根据不同负荷、转速下不同的传热损失调整发动机压缩比,从而提高循环工 况的热效率;③高强化、精确控制的燃烧放热过程是提高内燃机热效率的重要 途径,通过提高缸内爆发压力能够提高内燃机热功转换效率。图5所示为不同 放热重心(CA50)和放热持续期(CA90-CA10)对热效率的影响,较短的放热持 续期和合适的CA50时刻可以显著提高热效率。计算分析也表明,提高增压(进 气)压力也可以进一步提高内燃机热效率。 示热效率匚传热损失 43941527 503 74/7 传热系数 压缩比 图4传热损失和压缩比对内燃机热效率影响 30指示垫效率" CA50/(° CA ATDC 图5不同放热重心和放热持续期对内燃机热效率的影响
围绕内燃机极限热效率，本小组也从理论上进行了研讨，结合模拟计算结果 得到了如下的初步结论：① 减少内燃机传热损失之后，节约的热量只有很小部 分转化为有用功，其比例小于废气带走热量的比例，即试图通过减少传热损失只 有少部分会转化为有用功，但可以提高排气温度，使余热集中在废气中，如图 ４ 所示；② 在绝热条件下，提高压缩比可以提高发动机指示热效率到 ６２％；但是若 存在传热损失，随着压缩比升高，传热损失增大，高压缩比下的热效率反而下降， 因此若有传热损失（实际上必定存在传热损失），就存在一个最佳的压缩比，使 热效率达到最高；尽管传热对于内燃机热力循环不是必需的，但是由于热负荷的 限制传热不可避免，因此传热损失决定最佳压缩比的大小；相应的，可变压缩比 可以根据不同负荷、转速下不同的传热损失调整发动机压缩比，从而提高循环工 况的热效率；③ 高强化、精确控制的燃烧放热过程是提高内燃机热效率的重要 途径，通过提高缸内爆发压力能够提高内燃机热功转换效率。图 ５所示为不同 放热重心（ＣＡ５０）和放热持续期（ＣＡ９０－ＣＡ１０）对热效率的影响，较短的放热持 续期和合适的 ＣＡ５０时刻可以显著提高热效率。计算分析也表明，提高增压（进 气）压力也可以进一步提高内燃机热效率。 图 ４ 传热损失和压缩比对内燃机热效率影响 图 ５ 不同放热重心和放热持续期对内燃机热效率的影响 内燃机热效率潜力及提高途径探索 ３３
34中国工程科技论坛:内燃机节能减排技术发展战略 进一步的研究还表明,仅通过工作过程优化而不采取其他技术措施,内燃机 热效率极限很难超过60%。同时,提高内燃机热效率又受制于其他关键技术的 进展,如材料、控制、零部件等。 、国内外提高内燃机热效率创新研究进展 燃烧技术是降低有害排放、优化缸内热力循环、提高热效率的核心,20世纪 0年代末以来,以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新一代内燃机燃烧理论与燃 烧新技术的研究十分活跃,包括我国学者在内,世界范围内在内燃机高效清洁燃 烧新技术的研究取得了重要进展,内燃机的热效率得到了进一步提高。 天津大学苏万华教授课题组提出了“高密度-低温燃烧”技术,其核心思想 是:通过高喷射压力的多次喷油控制将燃油“均匀”地“播撒”在燃烧室空间,使 混合气尽量均匀。通过EGR来降低燃烧温度,抑制NO,排放。为了弥补采用 EGR后燃烧过程中氧浓度的不足,采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高 增压比,增加进入的空气量。但是高增压必然会带来压缩压力和燃烧爆发压力 的增加,受发动机机械负荷和可靠性限制,缸内最大爆发压力必须控制在一个合 理范围,通过进气门晚关技术降低进气门关闭时缸内的初始压力和温度,从而有 效地降低了缸内最大爆发压力和燃烧温度,也使柴油机实现了可变的热力循环 过程。上述这些技术既有混合率促进技术,也有抑制化学反应率技术,在智能化 的电控单元协同控制下,实现了柴油机燃烧路径的可调可控,从而实现高效清洁 燃烧。采用这一燃烧技术,柴油机最高指示热效率可以达到53%,所报道的试 验工况原始微粒和NO,排放可以达到欧Ⅵ限值的要求 清华大学王建昕教授课题组提出了基于缸内直喷混合气制备,以混合气浓 度分层、火花辅助点火和燃料改质的综合控制HCCI燃烧的新方法,开发了相应 的火花点火辅助分层压燃(AssCⅠ)燃烧系统。该系统通过缸内二次喷射实现分 层压燃控制着火,通过火花辅助均质压燃临界状态下着火稳定性以及燃料重整 拓宽HCCI运行工况范围,提出了利用缸内直喷、可变配气以及节气门协同控制 进行点燃(SⅠ)与HCCI燃烧模式切换的控制策略。为了进一步拓宽HCCI运行 工况范围,他们提出了内外EGR与增压协调控制拓展HCCⅠ负荷范围的思 路1·。多缸HCCI样机测试结果表明,在HCCI运行工况样机比传统汽油机 的燃油经济性改善15%以上,NO.降低90%以上 天津大学赵华教授课题组提出了基于废气驱动的高效低温燃烧汽油机 ( ExDrive)技术。其方案仍是采用进排气门全可变机构,并结合外部EGR和涡 轮增压技术进一步扩展HCCⅠ的运行工况范围。废气驱动的燃烧和负荷控制方 案基本思路是:缸内残余废气同时起到了加热剂、稀释剂和容积填充剂三方面的
进一步的研究还表明，仅通过工作过程优化而不采取其他技术措施，内燃机 热效率极限很难超过 ６０％。同时，提高内燃机热效率又受制于其他关键技术的 进展，如材料、控制、零部件等。 三、国内外提高内燃机热效率创新研究进展 燃烧技术是降低有害排放、优化缸内热力循环、提高热效率的核心，２０世纪 ９０年代末以来，以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新一代内燃机燃烧理论与燃 烧新技术的研究十分活跃，包括我国学者在内，世界范围内在内燃机高效清洁燃 烧新技术的研究取得了重要进展，内燃机的热效率得到了进一步提高。 天津大学苏万华教授课题组提出了“高密度 －低温燃烧”技术，其核心思想 是：通过高喷射压力的多次喷油控制将燃油“均匀”地“播撒”在燃烧室空间，使 混合气尽量均匀。通过 ＥＧＲ来降低燃烧温度，抑制 ＮＯｘ 排放。为了弥补采用 ＥＧＲ后燃烧过程中氧浓度的不足，采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高 增压比，增加进入的空气量。但是高增压必然会带来压缩压力和燃烧爆发压力 的增加，受发动机机械负荷和可靠性限制，缸内最大爆发压力必须控制在一个合 理范围，通过进气门晚关技术降低进气门关闭时缸内的初始压力和温度，从而有 效地降低了缸内最大爆发压力和燃烧温度，也使柴油机实现了可变的热力循环 过程。上述这些技术既有混合率促进技术，也有抑制化学反应率技术，在智能化 的电控单元协同控制下，实现了柴油机燃烧路径的可调可控，从而实现高效清洁 燃烧。采用这一燃烧技术，柴油机最高指示热效率可以达到 ５３％，所报道的试 验工况原始微粒和 ＮＯｘ排放可以达到欧 ＶＩ限值的要求［１３］ 。 清华大学王建昕教授课题组提出了基于缸内直喷混合气制备，以混合气浓 度分层、火花辅助点火和燃料改质的综合控制 ＨＣＣＩ燃烧的新方法，开发了相应 的火花点火辅助分层压燃（ＡＳＳＣＩ）燃烧系统。该系统通过缸内二次喷射实现分 层压燃控制着火，通过火花辅助均质压燃临界状态下着火稳定性以及燃料重整 拓宽 ＨＣＣＩ运行工况范围，提出了利用缸内直喷、可变配气以及节气门协同控制 进行点燃（ＳＩ）与 ＨＣＣＩ燃烧模式切换的控制策略。为了进一步拓宽 ＨＣＣＩ运行 工况范 围，他 们 提 出 了 内 外 ＥＧＲ与 增 压 协 调 控 制 拓 展 ＨＣＣＩ负 荷 范 围 的 思 路［１４，１５］ 。多缸 ＨＣＣＩ样机测试结果表明，在 ＨＣＣＩ运行工况样机比传统汽油机 的燃油经济性改善 １５％以上，ＮＯｘ降低 ９０％以上。 天津大学赵华教授课题组提出了基于废气驱动的高效低 温 燃 烧 汽 油 机 （ＥｘＤｒｉｖｅ）技术。其方案仍是采用进排气门全可变机构，并结合外部 ＥＧＲ和涡 轮增压技术进一步扩展 ＨＣＣＩ的运行工况范围。废气驱动的燃烧和负荷控制方 案基本思路是：缸内残余废气同时起到了加热剂、稀释剂和容积填充剂三方面的 ３４ 中国工程科技论坛：内燃机节能减排技术发展战略
内燃机热效率潜力及提高途径探索3 作用,既提供了混合气燃烧所需要的能量,也控制了发动机负荷和燃烧速度。但 是当发动机负荷增大以后,内部残余废气的热量增加会造成缸内出现燃烧速度 过快而产生爆震等不正常的燃烧现象。为此,通过引入冷却的外部废气再循环 逐渐代替内部废气来填充缸内容积,拓宽均质压燃运行范围。这样既可以提高 发动机负荷运转范围,又可以利用废气的稀释作用降低汽油发动机NO,排放, 在发动机全负荷工况采用基于废气控制的汽油机复合燃烧技术,即以内部废气 再循环策略实现可控自燃燃烧为核心,辅以气门参数控制的火花点燃燃烧技术 的复合燃烧技术,同时以外部废气再循环作为调整缸内废气状态的控制手段,实 现了汽油机低温高效燃烧。在燃烧控制策略中,采用爆震闭环燃烧控制技术。 通过残余废气的分层,在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。例 如,转速为1500r/min、平均指示压力为0.085MPa的工况,可控自燃燃烧的节 油率达17.21%;在转速为2000r/min、平均有效压力为0.2MPa的工况,节油率 达13.71%,NO减少99%,NEDC驾驶循环仿真节油效果为15.6%。排放指标 除HC之外,NO,和CO均小于欧Ⅳ限值 近年来,通过燃料特性优化来优化燃烧过程,进而提高内燃机热效率、降低 有害排放也成为内燃机研究的热点之一。这主要是因为在内燃机新型高效清洁 燃烧模式中,燃料特性参数是影响燃烧过程和有害排放的重要因素,燃料特性优 化也是提高热效率的重要途径之一。瑞典Iund大学 Johansson教授等人在柴油 机中喷入汽油燃料,发现在上止点前附近喷亼汽油燃料,通过EGR控制实现低 温燃烧,其碳烟和No、排放远比柴油燃料低温燃烧时低,高效清洁低温燃烧最大 负荷范围比柴油更高,而且燃用汽油燃料可节能8.3%~16.6%,最高的指示热 效率可以达到57%1。他们将这一燃烧方式定义为PPC( Partial Premixed Combustion)燃烧方式。美国 Wisconsin大学 Reitz教授等人提出一种RCCI ( Reactivity Controlled Compression Ignition)燃烧方式,即采用汽油/柴油双燃料方 式,其中汽油燃料采用气道喷射,柴油采用高压共轨燃油系统缸内直喷,通过控 制汽油,柴油比例、缸内柴油喷油策略、外部EGR率和进气门关闭时刻等实现混 合燃料的燃烧过程控制,从而实现高效清洁燃烧。硏究表明,该燃烧方式结合进 气增压后最大平均有效压力可以达到14.6bar(1bar=103Pa),原始碳烟和NO 排放可以满足 US EPA2010的要求,指示热效率最高达到了56% 上海交通大学黄震教授课题组提出了基于燃料设计控制燃烧过程的新方 法。通过燃料设计、喷射策略及优化,进行放热与燃烧模式调制,实现了燃料实 时设计与多燃烧模式协同控制,NO,与碳烟的排放大幅降低,发动机热效率提 高,为实现高效超低排放发动机燃烧开辟了一条全新的途径。天津大学姚春 徳教授课题组提岀柴油/甲醇二元燃料燃烧模式,通过进气道喷射甲醇,缸内喷
作用，既提供了混合气燃烧所需要的能量，也控制了发动机负荷和燃烧速度。但 是当发动机负荷增大以后，内部残余废气的热量增加会造成缸内出现燃烧速度 过快而产生爆震等不正常的燃烧现象。为此，通过引入冷却的外部废气再循环 逐渐代替内部废气来填充缸内容积，拓宽均质压燃运行范围。这样既可以提高 发动机负荷运转范围，又可以利用废气的稀释作用降低汽油发动机 ＮＯｘ 排放。 在发动机全负荷工况采用基于废气控制的汽油机复合燃烧技术，即以内部废气 再循环策略实现可控自燃燃烧为核心，辅以气门参数控制的火花点燃燃烧技术 的复合燃烧技术，同时以外部废气再循环作为调整缸内废气状态的控制手段，实 现了汽油机低温高效燃烧。在燃烧控制策略中，采用爆震闭环燃烧控制技术。 通过残余废气的分层，在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。例 如，转速为 １５００ｒ／ｍｉｎ、平均指示压力为 ００８５ＭＰａ的工况，可控自燃燃烧的节 油率达 １７２１％；在转速为 ２０００ｒ／ｍｉｎ、平均有效压力为 ０２ＭＰａ的工况，节油率 达 １３７１％，ＮＯｘ减少 ９９％，ＮＥＤＣ驾驶循环仿真节油效果为 １５６％。排放指标 除 ＨＣ之外，ＮＯｘ和 ＣＯ均小于欧Ⅳ限值［１６］ 。 近年来，通过燃料特性优化来优化燃烧过程，进而提高内燃机热效率、降低 有害排放也成为内燃机研究的热点之一。这主要是因为在内燃机新型高效清洁 燃烧模式中，燃料特性参数是影响燃烧过程和有害排放的重要因素，燃料特性优 化也是提高热效率的重要途径之一。瑞典 Ｌｕｎｄ大学 Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ教授等人在柴油 机中喷入汽油燃料，发现在上止点前附近喷入汽油燃料，通过 ＥＧＲ控制实现低 温燃烧，其碳烟和 ＮＯｘ排放远比柴油燃料低温燃烧时低，高效清洁低温燃烧最大 负荷范围比柴油更高，而且燃用汽油燃料可节能 ８３％ ～１６６％，最高的指示热 效率可 以 达 到 ５７％［１７］ 。他 们 将 这 一 燃 烧 方 式 定 义 为 ＰＰＣ（ＰａｒｔｉａｌＰｒｅｍｉｘｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）燃 烧 方 式。美 国 Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ大 学 Ｒｅｉｔｚ教 授 等 人 提 出 一 种 ＲＣＣＩ （ＲｅａｃｔｉｖｉｔｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ）燃烧方式，即采用汽油 ／柴油双燃料方 式，其中汽油燃料采用气道喷射，柴油采用高压共轨燃油系统缸内直喷，通过控 制汽油，柴油比例、缸内柴油喷油策略、外部 ＥＧＲ率和进气门关闭时刻等实现混 合燃料的燃烧过程控制，从而实现高效清洁燃烧。研究表明，该燃烧方式结合进 气增压后最大平均有效压力可以达到 １４６ｂａｒ（１ｂａｒ＝１０５ Ｐａ），原始碳烟和 ＮＯｘ 排放可以满足 ＵＳＥＰＡ２０１０的要求，指示热效率最高达到了 ５６％［１８］ 。 上海交通大学黄震教授课题组提出了基于燃料设计控制燃烧过程的新方 法。通过燃料设计、喷射策略及优化，进行放热与燃烧模式调制，实现了燃料实 时设计与多燃烧模式协同控制，ＮＯｘ 与碳烟的排放大幅降低，发动机热效率提 高，为实现高效超低排放发动机燃烧开辟了一条全新的途径［１９］ 。天津大学姚春 德教授课题组提出柴油 ／甲醇二元燃料燃烧模式，通过进气道喷射甲醇，缸内喷 内燃机热效率潜力及提高途径探索 ３５
36中国工程科技论坛:内燃机节能减排技术发展战略 射柴油实现最大有效热效率46.6%。更重要的是目前该技术已经在国内多家 重型汽车上示范运行,取得了很好的节油效果。天津大学苏万华教授课题组 在20世纪末开展了汽油/柴油双燃料燃烧模式硏究工作,研究发现通过提高气 道喷射汽油的比例可以大幅度降低碳烟和NO,排放2,2。天津大学针对双燃 料进行了深入研究,近年来尧命发教授课题组又提出了柴油机全负荷运行工况 高比例预混合复合燃烧模式(HPCC)概念。通过组合气道喷射和缸内直喷两种 喷射方式,形成不同工况所需的燃料活性分层和混合气浓度分层,即基于混合气 浓度分层与化学活性分层协同控制的燃烧过程。经过多年研究发现,气道喷射 的燃料可以是高辛烷值燃料,也可以是高十六烷值燃料,但核心是易于汽化的低 沸点燃料;与此相对应的缸内燃料应该是与气道喷射燃料着火特性相反的燃料, 从而更好地实现混合气燃料活性控制;进而结合缸内直喷策略、增压、EGR、可变 气门等技术实现所需的混合气浓度分布,最终获得在不同负荷下热效率最高的 燃烧模式。例如在小负荷工况采用纯柴油适当早喷及大比例EGR的HCCⅠ燃烧 模式;在中小负荷工况采用柴油早喷使汽油与柴油在滞燃期内形成均质混合气 实现汽油/柴油双燃料的HCCⅠ模式;而大负荷、满负荷工况实现以缸内柴油喷 雾压燃形成的多点自燃作为着火点来点燃汽油均质混合气为特征的高比例汽油 预混合多点点燃与部分柴油扩散燃烧相结合的燃烧模式。在一台四缸轻型车用 柴油机应用汽柴油双燃料HPCC复合燃烧模式,试验结果表明NO,排放满足欧 ⅥⅠ法规,指示热效率51%,与达到相同排放条件下柴油机相比,其综合节油率达 到10%以上23,21。 上述研究结果表明,在内燃机结构没有做大的变化条件下,通过燃烧技术的 创新,其最高热效率绝对值提高了9%,而相对值提高了20%,图6是不同的燃 烧新技术与传统内燃机热效率对比,表眀了燃烧技术在提高内燃机热效率中仍 有很大的潜力。 近年来,内燃机的余热能回收技术受到广泛关注,全球各大汽车、发动机制 造商,高校和科研院所均开展了广泛硏究。内燃机中通过废气和传热带走的能 量损失占到总能量的50%以上,如何有效回收利用这部分能量是进一步提高内 燃机热效率的潜力所在。国内外汽车废气利用技术的研究从热源上可分为利用 高温热源(如废气)和低温热源(如冷却水、润滑油)回收技术;从用途上余热能 利用可包括废气涡轮增压、采暖、废气再循环、温差发电、改良燃料、驱动空调制 冷、动力涡轮及提高进气温度等方式。美国康明斯公司开发的利用EGR和排气 废热的余热能利用系统表明发动机的热效率可提高约8%31。天津大学舒歌群 教授课题组提出利用循环冷却水进行热电温差发电与利用排气能量进行有机朗 肯循环的联合循环系统,研究表明可使发动机热效率提高12%261
射柴油实现最大有效热效率 ４６６％。更重要的是目前该技术已经在国内多家 重型汽车上示范运行，取得了很好的节油效果［２０］ 。天津大学苏万华教授课题组 在 ２０世纪末开展了汽油 ／柴油双燃料燃烧模式研究工作，研究发现通过提高气 道喷射汽油的比例可以大幅度降低碳烟和 ＮＯｘ 排放［２１，２２］ 。天津大学针对双燃 料进行了深入研究，近年来尧命发教授课题组又提出了柴油机全负荷运行工况 高比例预混合复合燃烧模式（ＨＰＣＣ）概念。通过组合气道喷射和缸内直喷两种 喷射方式，形成不同工况所需的燃料活性分层和混合气浓度分层，即基于混合气 浓度分层与化学活性分层协同控制的燃烧过程。经过多年研究发现，气道喷射 的燃料可以是高辛烷值燃料，也可以是高十六烷值燃料，但核心是易于汽化的低 沸点燃料；与此相对应的缸内燃料应该是与气道喷射燃料着火特性相反的燃料， 从而更好地实现混合气燃料活性控制；进而结合缸内直喷策略、增压、ＥＧＲ、可变 气门等技术实现所需的混合气浓度分布，最终获得在不同负荷下热效率最高的 燃烧模式。例如在小负荷工况采用纯柴油适当早喷及大比例 ＥＧＲ的 ＨＣＣＩ燃烧 模式；在中小负荷工况采用柴油早喷使汽油与柴油在滞燃期内形成均质混合气， 实现汽油 ／柴油双燃料的 ＨＣＣＩ模式；而大负荷、满负荷工况实现以缸内柴油喷 雾压燃形成的多点自燃作为着火点来点燃汽油均质混合气为特征的高比例汽油 预混合多点点燃与部分柴油扩散燃烧相结合的燃烧模式。在一台四缸轻型车用 柴油机应用汽柴油双燃料 ＨＰＣＣ复合燃烧模式，试验结果表明 ＮＯｘ 排放满足欧 ＶＩ法规，指示热效率 ５１％，与达到相同排放条件下柴油机相比，其综合节油率达 到 １０％以上［２３，２４］ 。 上述研究结果表明，在内燃机结构没有做大的变化条件下，通过燃烧技术的 创新，其最高热效率绝对值提高了 ９％，而相对值提高了 ２０％，图 ６是不同的燃 烧新技术与传统内燃机热效率对比，表明了燃烧技术在提高内燃机热效率中仍 有很大的潜力。 近年来，内燃机的余热能回收技术受到广泛关注，全球各大汽车、发动机制 造商，高校和科研院所均开展了广泛研究。内燃机中通过废气和传热带走的能 量损失占到总能量的 ５０％以上，如何有效回收利用这部分能量是进一步提高内 燃机热效率的潜力所在。国内外汽车废气利用技术的研究从热源上可分为利用 高温热源（如废气）和低温热源（如冷却水、润滑油）回收技术；从用途上余热能 利用可包括废气涡轮增压、采暖、废气再循环、温差发电、改良燃料、驱动空调制 冷、动力涡轮及提高进气温度等方式。美国康明斯公司开发的利用 ＥＧＲ和排气 废热的余热能利用系统表明发动机的热效率可提高约 ８％［２５］ 。天津大学舒歌群 教授课题组提出利用循环冷却水进行热电温差发电与利用排气能量进行有机朗 肯循环的联合循环系统，研究表明可使发动机热效率提高 １２％［２６］ 。 ３６ 中国工程科技论坛：内燃机节能减排技术发展战略